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高通 低通 濾波器

圖7示出另外一種結構。該電路增加了一個並聯電阻,對積分電容進行連續放電,從根本上來說它是一個有損耗的積分器。其中心頻率同樣是1/(2πRC)。因為該放大器是以反相模式工作的,故反相模式將在相移特性上引入附加的180°相位。圖2示出了輸入-輸出的相位差隨頻率的變化,其中包括了放大器引入的反相(右軸)。該響應特性將被稱為反相的、一階、低通響應。



圖7. 利用工作在反相模式的運放搭建的有源、單極點、低通濾波器

上面所示的電路可以衰減高頻分量而通過低頻分量,均屬於低通濾波器。可以通過高頻分量的電路則與之類似。圖8示出一個無源的一階、高通濾波器電路結構,其相位隨著歸一化頻率的變化特性則示於圖3中(同相響應)。



圖8. 無源高通濾波器


圖3(左軸)的曲線被稱為同相、一階、高通響應特性。該高通濾波器的有源電路示於圖9中。其相位隨頻率的變化示於圖3中(右軸)。這將被稱為反相、一階、高通響應。



圖9. 有源、單極點、高通濾波器

二階濾波器段

二階濾波器有各式各樣的電路結構。這裡要討論的是Sallen-Key、多路反饋、狀態變數結構,及其類似的雙二階濾波結構。它們是最常見的結構,而且與本文的內容相關。關於各種不同結構的更為完整的資訊可參見文後的參考文獻。

Sallen-Key低通濾波器
廣泛使用的Sallen-Key結構也被稱為電壓控制電壓源(VCVS)型,是MIT的林肯實驗室(參見文獻3)的R.P. Sallen和 E.L. Key於1955年提出的結構。圖10示出了一個Sallen-Key二階低通濾波器的電路原理圖。這一結構受到廣泛歡迎的一個原因是它的效能基本與運放的效能無關,因為放大器主要作為一個緩衝器來使用。由於在基本的Sallen-Key電路中,連線成跟隨器的運放並不用於產生電壓增益,故對它的增益-頻寬要求並不重要。這意味著,對於給定的運放頻寬而言,與運放的動態特性受到可變反饋環路特性影響的那些電路結構相比,利用這一固定的(單位)增益可以設計出頻率更高的濾波器。通過濾波器後,訊號的相位保持不變(同相結構)。圖4示出一個Q=0.707(或者,阻尼比α=1/Q=1.414——Butterworth響應特性)的Sallen-Key低通濾波器的相移-頻率關係圖。為了簡化比較,這將作為下面所考慮的二階濾波器段的效能標準。




圖10. 2極點、Sallen-Key低通濾波器

Sallen-Key高通濾波器
通過互換決定頻率網路上的電容和電阻的位置,可將Sallan-Key低通電路變換為高通結構,正如圖11所示的那樣,而且同樣採用單位增益的緩衝器。其相移-頻率關係示於圖5中(左軸)。這是同相、二階、高通響應。



圖11. 2極點、Sallen-Key高通濾波器

Sallen-Key濾波器的放大器增益可以通過在運放反相輸入上連線一個電阻衰減器組成的反饋網路來提高。不過,改變增益將影響到決定頻率網路的表示式,而且需要重新計算元件的值。該放大器的動態特性也需要更嚴格的考察,因為它們在環路中引入了增益。

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